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1、表面處理技術,Abstract,PVD簡介 電鍍 電氣電鍍 陶瓷 噴漆 膠 陽極處理,Abstract,PVD簡介 電鍍 電氣電鍍 簡介 陶瓷 噴漆 膠 陽極處理,薄膜沈積(Thin Film Deposition) 簡介,在機械工業、電子工業或半導體工業領域，為了對所使用的材料賦與某種特性在材料表面上以各種方法形成被膜（一層薄膜），而加以使用，假如此被膜經由原子層的過程所形成時，一般將此等薄膜沈積稱為蒸鍍（蒸著）處理。採用蒸鍍處理時，以原子或分子的層次控制蒸鍍粒子使其形成被膜，因此可以得到以熱平衡狀態無法得到的具有特殊構造及功能的被膜。 薄膜沈積是目前最流行的表面處理法之一，可應用於裝飾品、
2、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理，泛指在各種金屬材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圓基板的表面上，成長一層同質或異質材料薄膜的製程，以期獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性。 薄膜沈積依據沈積過程中，是否含有化學反應的機制，可以區分為物理氣相沈積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）通常稱為化學蒸鍍。 隨著沈積技術及沈積參數差異，所沈積薄膜的結構可能是單晶、多晶、或非結晶的結構。單晶薄膜的沈積在積體電路製程中特別重要，稱為是磊晶(epitaxy)。相較於晶圓基板，磊晶成
3、長的半導體薄膜的優點主要有：可以在沈積過程中直接摻雜施體或受體，因此可以精確控制薄膜中的摻質分佈(dopant profile)，而且不包含氧與碳等雜質。,薄膜沈積機制,薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖（一）為薄膜成長機制的說明圖。圖中首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原子才能吸附(adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的表面遷徙(surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為成核(nucleation)。 原子團必須達到一定的大小之後
4、，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成核島(island)。核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，這個步驟稱為原子的吸解(desorption)。PVD與CVD的差別在於： PVD的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用 CVD的吸附與吸解則是化學性的吸附與吸解反應,物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）,PVD顧名思義是以物理機制來進行薄膜湚積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源由固
5、態轉化為氣態，濺鍍（Sputtering），蒸鍍源則由氣態轉化為電漿態。,物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）,PVD法係以真空、測射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發，與碳化氫、氮氣等氣體作用，在加熱至400600（13小時）的工件表面上，蒸鍍碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等110m厚之微細粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較低，結合性稍差（無擴散結合作用），且背對金屬蒸發源之工件陰部會產生蒸鍍不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用於經淬火高溫回火之工、模具。若以回火溫度以下之低溫蒸鍍，其變形量極微，可維持高精密度，蒸鍍後不須再加工。表（一）為各種PVD法的比較。 物理氣相沈積(Physical Vapo
6、r Deposition，PVD)是今日在半導體製程中，被廣泛運用於金屬鍍膜的技術。以現今之金屬化製程而言：舉凡Ti、TiW等所謂的反擴散層(Barrier Layer)，或是黏合層(Glue Layer)；Al之栓塞(plug)及導線(Interconnects)連接，以及高溫金屬如WSI、W、Co等，都使用物理氣相沈積法來完成。雖然小尺寸的金屬沈積以化學氣相沈積為佳，但物理氣相沈積法可說在半導體製程上，仍扮演著舉足輕重的角色。,物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）,物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）,一般來說，物理氣相沈積法可包含下列三種不同之技術： (一) 蒸鍍(Evaporation)
7、(二) 分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy，MBE) (三) 濺鍍(Sputter) 表（二）為此三種方法之比較。由於濺鍍可以同時達成極佳的沈積效率、大尺寸的沈積厚度控制、精確的成份控制及較底的製造成本。所以濺鍍是現今矽基半導體工業所唯一採用的方式，而且相信在可預見的將來，濺鍍也不易被取代。至於蒸鍍及分子束磊晶成長之應用，現在大約皆集中於實驗室級設備，或是化合物半導體工業中。,三種物理氣相沈積法之比較,蒸鍍(Evaporation)原理,蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。 在蒸鍍過
8、程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致剝落。,蒸鍍(Evaporation)原理,蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。 在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致
9、剝落。,濺鍍(Sputter)的原理,電漿(Plasma)是一種遭受部份離子化的氣體(Partially lonized Gases)。藉著在兩個相對應的金屬電極板(Electrodes)上施以電壓，假如電極板間的氣體分子濃度在某一特定的區間，電極板表面因離子轟擊(Ion Bombardment)所產生的二次電子(Secondary Electrons)，在電極板所提供的電場下，將獲得足夠的能量，而與電極板間的氣體分子因撞擊而進行所謂的解離(Dissociation，離子化(Ionization，及激發(Excitation)等反應，而產生離子、原子、原子團(Radicals)，及更多的電子，
10、以維持電漿內各粒子間的濃度平衡。,Abstract,PVD簡介 電鍍 電氣電鍍 陶瓷 噴漆 膠 陽極處理,電鍍基本原理與概念,電鍍之定義： 電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electrodepos- ition process)， 是利用電極(electrode)通過電流，使金屬附著於 物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。 電鍍之目的： 電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit)，改變基材表面 性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補
11、。 各種鍍金的方法： (1)電鍍法(electroplating) (2)無電鍍法(electroless plating) (3)熱浸法(hot dip plating) (4)熔射噴鍍法(spray plating) (5)塑膠電鍍(plastic plating) (6)浸漬電鍍(immersion plating) (7)滲透鍍金(diffusion plating) (8)陰極濺鍍(cathode supptering) (9)真空蒸著鍍金(vacuum plating) (10)合金電鍍 (alloy plating) (11)複合電鍍 (composite plating) (1
12、2)局部電鍍 (selective plating) (13)穿孔電鍍 (through-hole plating) (14)筆電鍍(pen plating) (15)電鑄 (electroforming),電鍍的基本知識,電鍍大部份在液體 (solution) 下進行，又絕大部份是由水溶 液 (aqueous solution) 中電鍍，約有 30 種的金屬可由水溶液進 行電鍍, 由水溶液電鍍的金屬有：銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd“ 、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞Hg、鎵Ga、銦In、鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、N
13、b、W 等。有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。電鍍的基本知識包括下 列幾項： (1)溶液性質。 (2)物質反應。 (3)化學式。 (4)電化學。 (5)界面物理化學。 (6)材料性質。 溶液(solution) 被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體稱之溶 劑(solute)。溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution)。表 示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)。 在一定量溶劑 中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度
14、(solubility)。達到溶解度 值之溶液稱之為飽和溶液(saturated solution)，反之為非飽和溶 液(unsaturated solution)。 溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百 分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。,物質反應(reaction of matter),在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。,電化學(electrochemistry),電鍍是一種
15、電沉積( electrodeposition )過程,利用電解體electrolysis)在電極(electrode)沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。 電解質(electrolyte)例子NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液electrolytic solution)它含有部份之離子(ions),經由此等離子之移動(movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(anion),帶正電荷朝向陰極(cathode)移動(migrate)者稱之為陰離子(cations)。這些帶電荷之粒子(particles)稱
16、之為離子(ions)。放出電子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),得到電子產生還元化應之電極稱之為陰極(cathode)。整個反應過程稱之為電解(electrolysis)。,界面物理化學,表面處理過程中，金屬會與水或液體接觸，例如水洗、酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等。要使金屬與液體作用，需金屬表面完全浸濕接觸，若不能完全接觸，則表面處理將不完全，無法達到表面處理的目的。所以金屬與液體接觸以介面物理化學性質對表面處理有十分重要的意義。,界面活性劑,溶液中加入某種物質，能使其表回張力立即減小，具有此種性質的物質稱之為界面活性劑。表面處理過程如洗淨、脫脂、酸洗等界面活性劑被廣泛應用對表面處理之光澤化、平滑化，均一化都有相當幫助。,電鍍基礎,電鍍基礎可分下列幾項: 1.電鍍的基本構成元素及工場設備。 2.電鍍使用之電流。 3.電鍍溶液。 4.金屬陽極與金屬陰極。 5.陽極袋。 6.電鍍架。 7.電鍍前的處理。 8.電鍍工場設備。 9.電鍍控制條件及影響因素。 10.鍍浴淨化。 11.鍍層要求項目。 12.鍍層缺陷。 13.電鍍技藝
